(57)【要約】【課題】特に入力電圧の差動増幅のために用いられる演算増幅器のオフセット電圧を除去する方法及び回路であって、複数の演算増幅器を用いる場合であっても、各演算増幅器のオフセット電圧を簡易な回路構成で除去すること。【解決手段】図１に示す回路構成において、先ず、スイッチＳ１を端子Ｆと接続させ、スイッチＳ２を端子Ｈと接続させる。さらに、入力電圧Ｖ１とＶ２を等電圧にする（オフセット電圧測定期間）。その後、スイッチＳ１を端子Ｇに接続させ、スイッチＳ２を端子Ｈから切り離す。これによって、各演算増幅器Ａ１〜Ａ３のオフセット電圧を除去できる。また、複数の演算増幅器を用いても、各演算増幅器ごとにオフセット電圧調整回路が不要であるので、回路全体として複雑な構成となることはない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの、オフセット電圧を有する演算増幅器から構成され、第１の基準電圧を基準としつつ、第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧を出力する差動増幅回路に、前記第１及び第２の入力電圧として同一の入力電圧を入力することにより、前記第１の基準電圧から前記演算増幅器のオフセット電圧だけ変化した電圧を前記差動増幅回路から出力させる第１のステップと、
前記第１のステップで得た出力電圧を、前記第１の基準電圧を基準として反転した電圧を発生しつつ、その発生電圧によって充電回路を充電する第２のステップと、
前記差動増幅回路における第１の基準電圧を、前記充電回路に充電された電圧からなる第２の基準電圧に切り替えて、前記差動増幅回路から、前記第２の基準電圧を基準とする、前記第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧を出力させる第３のステップからなることを特徴とするオフセット電圧除去方法。
【請求項２】
前記第１及び第２のステップによる前記充電回路への第２の基準電圧の充電と、前記第３のステップによる第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧との出力とを、周期的に繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載のオフセット電圧除去方法。
【請求項３】
少なくとも１つの、オフセット電圧を有する演算増幅器から構成され、第１の基準電圧を基準としつつ、第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧を出力する差動増幅回路において、前記オフセット電圧を除去するオフセット電圧除去回路であって、
前記第１及び第２の入力電圧として、同一の電圧を入力する同一電圧入力回路と、
前記差動増幅回路の出力電圧を、前記第１の基準電圧を基準として反転する反転回路と、
前記反転回路の出力電圧を第２の基準電圧として充電する充電回路と、
前記差動増幅回路において、前記第１の基準電圧と前記第２の基準電圧とを切り替える切替回路と、
前記同一電圧入力回路によって前記第１及び第２の入力電圧として同一電圧が入力されているときに、前記反転回路から出力される出力電圧によって前記充電回路を充電し、その充電完了に基づいて、前記切替回路によって前記第１の基準電圧から第２の基準電圧への切替を行わせる制御部とを備えることを特徴とするオフセット電圧除去回路。
【請求項４】
前記反転回路は、バイポーラ型の演算増幅器で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のオフセット電圧除去回路。
【請求項５】
前記差動増幅回路は、最後段の演算増幅器の非反転入力端子と反転入力端子の少なくともどちらか一方の前段に演算増幅器を用いたボルテージホロワ回路を有することを特徴とする請求項３又は４に記載のオフセット電圧除去回路。
【請求項６】
前記第１の基準電圧と前記第２の基準電圧は、バイポーラ型の演算増幅器から構成されるボルテージホロワ回路を介して前記差動増幅回路に入力されることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のオフセット電圧除去回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差動増幅回路などで用いられる演算増幅器のオフセット電圧を除去する方法及び回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、演算増幅器のオフセット電圧を除去する方法若しくはそのための回路に関して、例えば特許文献１と特許文献２がある。特許文献１では、先ず演算増幅器の前段に設けられたスイッチを操作して、演算増幅器の反転入力端子と非反転入力端子間に設けられたコンデンサにその演算増幅器のオフセット電圧を充電するようにする。その後、上記スイッチを操作して、そのコンデンサを介して入力電圧を演算増幅器に入力する。これにより、オフセット電圧が除去された電圧が演算増幅器から出力される。
【０００３】
一方、特許文献２では、演算増幅器の前段に別のオフセット電圧を検出するための演算増幅器を直列に接続する。そして、各演算増幅器に接続する各抵抗値の関係を調整することにより、後段の演算増幅器の出力端子からはオフセット電圧を除去した電圧が出力される。
【特許文献１】特開２００２−１７１１４６号公報
【特許文献２】特開２００２−３７４１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的に演算増幅器を用いて入力電圧の差動増幅回路を構成する場合、図２に示す回路が用いられる。演算増幅器Ａ１０、Ａ２０、Ａ４０は他回路の影響を受けないようにするためにボルテージホロワを構成している。また、演算増幅器Ａ１０〜Ａ３０はＣＭＯＳ型の演算増幅器が用いられている。これは、入力電圧Ｖ１０、Ｖ２０に対して出力電圧Ｖｏｕｔの応答速度を速くするためである。その反面、演算増幅器Ａ１０〜Ａ３０は、それぞれオフセット電圧Ｖｏｆｆ１０、Ｖｏｆｆ２０、Ｖｏｆｆ３０を有する。また、演算増幅器Ａ４０は、速い応答速度を要求されないので、オフセット電圧が小さいバイポーラ型の演算増幅器を用いている。
【０００５】
ここで、演算増幅器Ａ３０の出力端子の電圧を算出する。先ず、計算を簡単にするために、各演算増幅器Ａ１０〜Ａ３０のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１０、Ｖｏｆｆ２０、Ｖｏｆｆ３０を考慮しない場合について算出する。端子Ａ’、端子Ｅ’の電位はそれぞれ入力電圧Ｖ１０、基準電圧Ｖｒｅｆであるので、端子Ｃ’の電位は、次式で表される。
【０００６】
（数１）
Ｖｃ’＝Ｖｒｅｆ＋（Ｖ１０−Ｖｒｅｆ）×Ｒ２０／（Ｒ１０＋Ｒ２０）
また、演算増幅器Ａ３０の入力インピーダンスを無限大とすると、演算増幅器Ａ３０の反転入力端子に流れる電流はゼロとみなせる。さらに、演算増幅器Ａ３０の増幅率を無限大とすると、端子Ｃ’と端子Ｄ’は等電位とみなせる。よって、端子Ｂ’から演算増幅器Ａ３０の出力端子に流れる電流Ｉは次式で表される。
【０００７】
（数２）
Ｉ≒（Ｖ２０−ＶＤ’）／Ｒ１０≒（Ｖ２０−ＶＣ’）／Ｒ１０
また、演算増幅器Ａ３０の出力端子の電圧Ｖｏｕｔは、電流Ｉを用いると次式で表される。
【０００８】
（数３）
Ｖｏｔ＝−｛Ｖ２０−（Ｒ１０＋Ｒ２０）×Ｉ｝
上記数１〜数３式から、Ｖｏｕｔは次式のように変形できる。
【０００９】
（数４）
Ｖｏｕｔ≒−Ｒ２０／Ｒ１０×（Ｖ１０−Ｖ２０）＋Ｖｒｅｆ
つまり、各演算増幅器Ａ１０〜Ａ３０のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１０、Ｖｏｆｆ２０、Ｖｏｆｆ３０を考慮しないと、演算増幅器Ａ３０の出力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆに対して入力電圧Ｖ１０、Ｖ２０の差に相当する電圧が出力されることになる。
【００１０】
ここで、各演算増幅器Ａ１０〜Ａ３０のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１０、Ｖｏｆｆ２０、Ｖｏｆｆ３０を考慮して、上記と同様に計算すると、出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。なお、次式中、演算増幅器Ａ４０はバイポーラ型の演算増幅器を用いているので、そのオフセット電圧は無視している。
【００１１】
（数５）
Ｖｏｕｔ≒−Ｒ２０／Ｒ１０×（Ｖ１０−Ｖ２０）＋Ｖｒｅｆ−Ｒ２０／Ｒ１０×（Ｖｏｆｆ１０−Ｖｏｆｆ２０＋Ｖｏｆｆ３０）
つまり、各演算増幅器Ａ１０〜Ａ３０のオフセット電圧Ｖｏｆｆ１０〜Ｖｏｆｆ３０に相当する電圧も出力される。
【００１２】
このような演算増幅器のオフセット電圧を除去するために、上述した特許文献１又は特許文献２の技術を用いることも一案である。しかしながら、上述の特許文献１、特許文献２に記載の技術は、一つの演算増幅器に対して、その演算増幅器のオフセット電圧を除去するものである。したがって、複数の演算増幅器を用いた回路に対しては、それぞれの演算増幅器に上述のスイッチ、コンデンサやオフセット電圧検出用の演算増幅器を設けなければならない。つまり、回路構成が複雑となる。
【００１３】
本発明は以上の問題点を鑑みたものであり、特に入力電圧の差動増幅のために用いられる演算増幅器のオフセット電圧を除去する方法及び回路であって、複数の演算増幅器を用いる場合であっても、各演算増幅器のオフセット電圧を簡易な回路構成で除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項１のオフセット電圧除去方法は、少なくとも１つの、オフセット電圧を有する演算増幅器から構成され、第１の基準電圧を基準としつつ、第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧を出力する差動増幅回路に、前記第１及び第２の入力電圧として同一の入力電圧を入力することにより、前記第１の基準電圧から前記演算増幅器のオフセット電圧だけ変化した電圧を前記差動増幅回路から出力させる第１のステップと、前記第１のステップで得た出力電圧を、前記第１の基準電圧を基準として反転した電圧を発生しつつ、その発生電圧によって充電回路を充電する第２のステップと、前記差動増幅回路における第１の基準電圧を、前記充電回路に充電された電圧からなる第２の基準電圧に切り替えて、前記差動増幅回路から、前記第２の基準電圧を基準とする、前記第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧を出力させる第３のステップからなることを特徴とする。
【００１５】
このように、基準電圧をオフセット電圧に応じて変化させることにより、差動増幅回路の出力端子には、各演算増幅器のオフセット電圧を除去した電圧が出力されることになる。また、各演算増幅器にオフセット電圧を除去するための調整をする回路等を設ける必要がないので、全体として簡易な回路構成とすることができる。
【００１６】
請求項２のオフセット電圧除去方法は、前記第１及び第２のステップによる前記充電回路への第２の基準電圧の充電と、前記第３のステップによる第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧との出力とを、周期的に繰り返し実行することを特徴とする。
【００１７】
例えば、充電回路としてコンデンサを用いた場合、時間の経過とともに充電されていた電圧が放電することも考えられる。また、同一の演算増幅器であっても、温度等の環境の変化によってオフセット電圧が変化することも考えられる。請求項２のように、周期的に第２の基準電圧の充電を行うことにより、常に正確にオフセット電圧を除去することができる。
【００１８】
請求項３のオフセット電圧除去回路は、少なくとも１つの、オフセット電圧を有する演算増幅器から構成され、第１の基準電圧を基準としつつ、第１及び第２の入力電圧の差を増幅した増幅電圧を出力する差動増幅回路において、前記オフセット電圧を除去するオフセット電圧除去回路であって、前記第１及び第２の入力電圧として、同一の電圧を入力する同一電圧入力回路と、前記差動増幅回路の出力電圧を、前記第１の基準電圧を基準として反転する反転回路と、前記反転回路の出力電圧を第２の基準電圧として充電する充電回路と、前記差動増幅回路において、前記第１の基準電圧と前記第２の基準電圧とを切り替える切替回路と、前記同一電圧入力回路によって前記第１及び第２の入力電圧として同一電圧が入力されているときに、前記反転回路から出力される出力電圧によって前記充電回路を充電し、その充電完了に基づいて、前記切替回路によって前記第１の基準電圧から第２の基準電圧への切替を行わせる制御部とを備えることを特徴とする。これは、請求項１に対応する回路であるので、効果は省略する。
【００１９】
請求項４のオフセット電圧除去回路において、前記反転回路は、バイポーラ型の演算増幅器で構成されていることを特徴とする。これは、バイポーラ型の演算増幅器は、動作はＣＭＯＳの演算増幅器よりも遅いが、精度が良い（オフセット電圧が小さい）ので、反転回路のオフセット電圧を考慮する必要はないことによる。
【００２０】
請求項５のオフセット電圧除去回路において、前記差動増幅回路は、最後段の演算増幅器の非反転入力端子と反転入力端子の少なくともどちらか一方の前段に演算増幅器を用いたボルテージホロワ回路を有することを特徴とする。このように、ボルテージホロワ回路を有すると、他回路の影響を受けなくすることができるとともに、２つ以上の演算増幅器の各オフセット電圧を各演算増幅器を調整することなく除去できるので、特に効果的である。
【００２１】
請求項６のオフセット電圧除去回路において、前記第１の基準電圧と前記第２の基準電圧は、バイポーラ型の演算増幅器から構成されるボルテージホロワ回路を介して前記差動増幅回路に入力されることを特徴とする。これによって、基準電圧を差動増幅回路に入力する際に、他回路の影響を受けなくすることができる。また、バイポーラ型の演算増幅器を用いることで、その演算増幅器のオフセット電圧を無視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図１の回路図を用いて説明する。同図に示す回路は、基準電圧に対して入力電圧Ｖ１、Ｖ２の差に相当する電圧を出力する回路である。図２に示す従来の回路と異なる点は、入力電圧Ｖ１、Ｖ２に等電圧を入力する電圧発生回路１０、破線で囲まれた反転回路、スイッチＳ１〜Ｓ４、コンデンサＣ１及び各スイッチＳ１〜Ｓ４の開閉を制御する制御部２０を設けたことにある。これらを用いることにより、各演算増幅器Ａ１〜Ａ３のオフセット電圧ｏｆｆ１〜ｏｆｆ３に対応して基準電圧が増減し、最終的にそれらオフセット電圧ｏｆｆ１〜ｏｆｆ３が除去された電圧が出力される。以下、詳細に説明する。
【００２３】
演算増幅器Ａ１の非反転入力端子には、スイッチＳ３を介して入力電圧Ｖ１が入力され、反転入力端子は演算増幅器Ａ１の出力端子に接続されている。つまり、演算増幅器Ａ１はボルテージホロワを構成している。また演算増幅器Ａ１の出力端子は、抵抗Ｒ１を介して抵抗Ｒ２及び演算増幅器Ａ３の非反転入力端子に並列接続されている。
【００２４】
同様に演算増幅器Ａ２についても、スイッチＳ４を介して入力される入力電圧Ｖ２に対してボルテージホロワを構成している。また、演算増幅器Ａ２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して演算増幅器Ａ３の出力端子に接続されている。なお、抵抗Ｒ１、Ｒ２の間の端子Ｄと演算増幅器Ａ３の反転入力端子が接続されている。
【００２５】
演算増幅器Ａ４は、スイッチＳ１を介して基準電圧（Ｖｒｅｆ又はＶｒｅｆ＿ｎｅｗ）に対してボルテージホロワを構成している。また、演算増幅器Ａ４は、抵抗Ｒ２を介して抵抗Ｒ１及び演算増幅器Ａ３の非反転入力端子に並列接続されている。
【００２６】
破線で囲まれている演算増幅器Ａ５及び抵抗Ｒ３からなる回路は、非反転入力端子に入力された電圧に対して、反転入力端子に入力された電圧の符号を反転する反転回路である。演算増幅器Ａ５の非反転入力端子は、当初の基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、反転入力端子には、抵抗Ｒ３を介して演算増幅器Ａ３の出力電圧が入力される。また、演算増幅器Ａ５の出力電圧は、スイッチＳ２を介してコンデンサＣ１に充電されるようになっている。
【００２７】
また、演算増幅器Ａ１〜Ａ３は、入力してから出力までの速い応答速度が要求されることから、ＣＭＯＳ型の演算増幅器が用いられている。そのため、各演算増幅器Ａ１〜Ａ３には、数ｍＶ程度のオフセット電圧が生じる。これに対し、演算増幅器Ａ４、Ａ５は、それ程速い応答速度が要求されないので、バイポーラ型の演算増幅器が用いられている。そのため、演算増幅器Ａ４、Ａ５のオフセット電圧は無視できるほど小さい。
【００２８】
電圧発生回路１０は、演算増幅器Ａ１、Ａ２に、入力電圧Ｖ１、Ｖ２の代わりに等電圧Ｖｉｎを入力するために、制御部２０の指令に基づいてその電圧Ｖｉｎを発生させる回路である。
【００２９】
制御部２０は、各スイッチＳ１〜Ｓ４の開閉を制御するとともに、電圧発生回路１０に対して電圧Ｖｉｎを発生させたり停止させたり指示する。
【００３０】
次に、以上のような構成の回路において、各演算増幅器Ａ１〜Ａ３のオフセット電圧ｏｆｆ１〜ｏｆｆ３を除去する方法について説明する。
【００３１】
先ず、制御部２０からの信号に基づいて、スイッチＳ１を端子Ｆ側に接続して、基準電圧Ｖｒｅｆが演算増幅器Ａ４に入力されるようにする。また、制御部２０は、スイッチＳ２を端子Ｈと接続するように操作する。この状態における演算増幅器Ａ１〜Ａ４及び抵抗Ｒ１、Ｒ２から構成される回路は、上述した図２に示す従来の差動増幅回路と同じになるので、演算増幅器Ａ３の出力電圧Ｖｏｕｔは、上記数５式のように表される。ここで、正制御部２０は、スイッチＳ３、Ｓ４を開くように操作するとともに、電圧発生回路１０に対して、電圧Ｖｉｎを発生させるように指示する。これによって、演算増幅器Ａ１、Ａ２には、入力電圧Ｖ１、Ｖ２の代わりに等電圧Ｖｉｎが入力される。すると、演算増幅器Ａ３から出力される電圧Ｖｏｕｔは、次式で表される。なお、次式中、Ｖｏｆｆ１〜Ｖｏｆｆ３は、演算増幅器Ａ１〜Ａ３のオフセット電圧を表している。
【００３２】
（数６）
Ｖｏｕｔ≒Ｖｒｅｆ−Ｒ２／Ｒ１×（Ｖｏｆｆ１−Ｖｏｆｆ２＋Ｖｏｆｆ３）
この出力電圧Ｖｏｕｔは、次式で示すように、演算増幅器Ａ５と抵抗Ｒ３からなる反転回路によって、基準電圧Ｖｒｅｆに対して符号が反転される。つまり、各オフセット電圧Ｖｏｆｆ１〜Ｖｏｆｆ３に相当する電圧の符号が反転される。そして、制御部２０は、スイッチＳ２を端子Ｈに接続する。これによって、この反転された電圧は、新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗとして、コンデンサＣ１に充電される。したがって、入力電圧Ｖ１とＶ２を等電圧にする時間は、少なくともこの新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗがコンデンサＣ１に充電されるまでの時間は必要となる。
【００３３】
（数７）
Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗ＝Ｖｒｅｆ＋Ｒ２／Ｒ１×（Ｖｏｆｆ１−Ｖｏｆｆ２＋Ｖｏｆｆ３）
その後、制御部２０は、スイッチＳ１を端子Ｇ側と接続させ、スイッチＳ２を端子Ｈから切り離す。つまり、コンデンサＣ１に充電されている電圧、数６式で示される新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗを、当初の基準電圧Ｖｒｅｆの代わりに演算増幅器Ａ４に入力する。また、制御部２０は、電圧発生回路１０に対して電圧Ｖｉｎの発生を停止するように指示するとともに、スイッチＳ３、Ｓ４を閉じる。これによって、演算増幅器Ａ１、Ａ２には本来差電圧を測定されるべき入力電圧Ｖ１、Ｖ２が入力される。したがって、数５式中の基準電圧Ｖｒｅｆに新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗを代入すると、演算増幅器Ａ３の出力端子に出力される新しい出力電圧Ｖｏｕｔ＿ｎｅｗは、次式のように表される。つまり、各オフセット電圧Ｖｏｆｆ１〜Ｖｏｆｆ３に相当する電圧が除去されることになる。
【００３４】
（数８）
Ｖｏｕｔ＿ｎｅｗ＝−Ｒ２／Ｒ１×（Ｖ１−Ｖ２）＋Ｖｒｅｆ
以上、本実施形態では、入力電圧Ｖ１、Ｖ２の代わりに等電圧Ｖｉｎを演算増幅器Ａ１、Ａ２に入力するオフセット電圧測定期間を設けて、基準電圧Ｖｒｅｆを各オフセット電圧Ｖｏｆｆ１〜Ｖｏｆｆ３に応じて増減して、新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗとして充電している。その後、この新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗを用いて、入力電圧Ｖ１とＶ２の差電圧を測定する。これによって、各オフセット電圧Ｖｏｆｆ１〜Ｖｏｆｆ３を除去することができる。また、複数の演算増幅器を用いても、各演算増幅器ごとにオフセット電圧調整回路が不要であるので、回路全体として複雑な構成となることはない。
【００３５】
なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々なる形態で実施することができる。例えば、本実施形態では他回路の影響を受けなくするために、演算増幅器Ａ１、Ａ２、Ａ４はボルテージホロワとして用いているが、これら演算増幅器を用いなくても、各演算増幅器のオフセット電圧を除去することができる。
【００３６】
また、上記実施形態のようにコンデンサを用いて、新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗを充電すると、時間の経過とともにその新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗが放電することも考えられる。また、同一の演算増幅器であっても、温度等の環境の変化によって、オフセット電圧が変化することも考えられる。そこで、上述の演算増幅器Ａ１、Ａ２の等電圧を入力して、新しい基準電圧Ｖｒｅｆ＿ｎｅｗを充電する操作を周期的に実行するようにしてもよい。これによって、常に正確にオフセット電圧を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態の演算増幅器のオフセット電圧除去回路を示す図である。
【図２】従来の差動増幅回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  電圧発生回路
２０  制御部
Ａ１〜Ａ３、Ａ１０〜Ａ３０  ＣＭＯＳ型の演算増幅器
Ａ４、Ａ５、Ａ４０  バイポーラ型の演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ３、Ｒ１０、Ｒ２０  抵抗
Ｓ１、Ｓ２  スイッチ
Ｃ１  コンデンサ
【図１】
2007124259.tif 000003
【図２】
2007124259.tif 000004